МНОГОЗОННЫЙ РЕГУЛЯТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК H02M5/257 

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковым преобразователям электрической энергии, предназначенным для преобразования переменного напряжения в регулируемое по величине переменное напряжение, и может быть использовано в регулируемых электроприводах переменного тока и в качестве устройств их плавного пуска.

Известен многозонный регулятор переменного напряжения с вольтдобавкой (Липковский К.А. Трансформаторно-ключевые исполнительные структуры преобразователей переменного напряжения. Киев, Наукова думка, 1983, с.148), который содержит трансформатор (однофазный или трехфазный) напряжения, к первичным и вторичным обмоткам которого последовательно подключены ключи переменного тока.

Такой регулятор характеризуется сложностью из-за наличия ключей переменного тока на первичных и вторичных обмотках трансформатора, плохим использованием ключей по напряжению.

Кроме того, известен многозонный регулятор переменного напряжения в однофазном или трехфазном исполнении (Липковский К.А. Трансформаторно-ключевые исполнительные структуры преобразователей переменного напряжения. Киев, Наукова думка, 1983, с.100), являющийся прототипом, содержащий однофазный или трехфазный трансформатор с секционированной вторичной обмоткой для получения различных уровней переменного входного напряжения, а также содержащий группу управляемых ключей переменного тока, образованных из встречно-параллельно включенных тиристоров или транзисторов, подключенных одними выводами к отводам вторичных обмоток входного трансформатора переменного напряжения, а вторыми выводами подключенных к соответствующим фазам многофазной нагрузки, соединенной в звезду или треугольник.

Недостатком этого регулятора является большие обратные напряжения на ключах, которые определяются амплитудами напряжения вторичных обмоток трансформатора, что ухудшает использование по напряжению ключей регулятора.

Задачей предлагаемого изобретения является создание многозонного регулятора переменного напряжения с лучшим использованием по напряжению ключей регулятора.

Поставленная задача достигается тем, что в многозонном регуляторе переменного напряжения, содержащем группу управляемых ключей (выполненных на тиристорах или транзисторах), подключенных одними выводами к разным уровням переменного входного напряжения, а вторыми выводами подключенных к соответствующим фазам многофазной нагрузки, соединенной в звезду или треугольник, введены цепочки из n-последовательно соединенных конденсаторов по числу фаз переменного напряжения, а группа управляемых ключей в каждой фазе регулятора разделена на две подгруппы из последовательно соединенных n-однонаправленных ключей (тиристоров или транзисторов), введены также в каждой фазе регулятора две группы диодов из n-1 диодов каждая, причем одна подгруппа n управляемых однонаправленных ключей, соединенных последовательно, подключена в каждой фазе регулятора катодом крайнего ключа к фазам входного переменного напряжения, а анодом другого крайнего ключа подгруппы - к одной из соответствующих фаз нагрузки, вторая группа последовательно включенных управляемых ключей той же фазы регулятора подключена анодом крайнего ключа к соответствующим фазам входного переменного напряжения, а катодом - к той же фазе нагрузки, при этом между анодами последовательно включенных управляемых ключей первой подгруппы и отводами цепочки из n-последовательно соединенных конденсаторов включены диоды первой дополнительной группы, катодами к отводам, аналогично, между катодами последовательно включенных управляемых ключей второй подгруппы и отводами той же цепочки из n-последовательно соединенных конденсаторов также включены диоды второй дополнительной группы, анодами к соответствующим отводам n-последовательно соединенных конденсаторов.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого изобретения в виде трехфазного трехзонного регулятора на ключах, на фиг.2 приведена схема предлагаемого изобретения трехфазного трехзонного регулятора на ключах в виде тиристоров, на фиг.3 приведена диаграмма переменного напряжения на нагрузке для первого поддиапазона регулирования при выполнении ключей на тиристорах, как показано на фиг.2, на фиг.4 приведена диаграмма переменного напряжения и тока нагрузки для второго поддиапазона регулирования при выполнении ключей на тиристорах в соответствии с фиг.2, на фиг.5 приведена диаграмма переменного напряжения и тока нагрузки для третьего поддиапазона регулирования (для наглядности для режима независимой работы фаз нагрузки) для регулятора на фиг.2, на фиг.6 приведена диаграмма переменного напряжения нагрузки для первого поддиапазона регулирования при выполнении ключей регулятора фиг.1 на транзисторах (для наглядности для режима независимой работы фаз нагрузки), здесь же показано напряжение одного конденсатора цепочки последовательных конденсаторов, на фиг.7 приведена диаграмма переменного напряжения нагрузки для второго поддиапазона регулирования при выполнении ключей регулятора фиг.1 на транзисторах (для наглядности для режима независимой работы фаз нагрузки).

Многозонный регулятор переменного напряжения (фиг.1) содержит в каждой фазе цепочку из n=3 последовательно включенных конденсаторов ЦК1 (на фиг.1 это конденсаторы 2, 3, 4 для изображенного случая с n=3), подключенных в каждой фазе регулятора начальным выводом цепочки к соответствующей фазе А, В, С входного переменного напряжения, а конечные выводы цепочек разных фаз соединены между собой, первую подгруппу из n-последовательно включенных прямых ключей цепочки ЦПК 5 (для рассматриваемого на фиг.1 случая с n=3 это ключи 6, 7, 8), подключенную анодом первого ключа 6 к соответствующей фазе А, В, С входного переменного напряжения и катодом последнего ключа 8 к соответствующей фазе X, Y, Z нагрузки регулятора, вторую подгруппу из n-последовательно включенных управляемых ключей цепочки ЦОК 9 (в рассматриваемом на фиг.1 случае с n=3 это ключи 10, 11, 12), подключенную катодом первого ключа к соответствующей фазе А, В, С входного переменного напряжения и анодом последнего ключа - к соответствующей фазе X, Y, Z нагрузки регулятора, две группы диодов - прямые диоды ПД 13, и обратные диоды ОД 14, состоящую в первой группе из n-1 диодов (в случае фиг.1 n=3 это диоды 15, 16) и во второй группе диодов также из n-1 диодов (в случае фиг.1 n=3 это диоды 17, 18), подключенные анодами первой группы диодов к отводам цепочки из n-последовательно включенных конденсаторов 2, 3 и своими катодами к катодам ЦПК 5 последовательно включенных прямых управляемых ключей 6, 7 и подключенные катодами второй группы диодов ОД 14 к отводам цепочки из n-последовательно включенных конденсаторов 2, 3, а своими анодами - к анодам ЦОК 9 управляемых ключей 10, 11.

Многозонный регулятор переменного напряжения на фиг.2 содержит ключи, выполненные на тиристорах.

Устройство работает следующим образом. Сначала рассмотрим случай, когда в качестве ключей на фиг.1 использованы тиристоры, как показано на фиг.2, а затем и случай транзисторов в качестве ключей. В обоих случаях конфигурация схемы регуляторов одинакова, но алгоритмы управления ключами разные. Весь диапазон регулирования переменного напряжения разделен на n поддиапазонов, в рассматриваемом случае на n=3 поддиапазона. В первом поддиапазоне при положительной полуволне питающего напряжения, полярность которого соответствует знакам (+) на верхних выводах каждого конденсатора цепочки конденсаторов ЦК 1, сначала включаются тиристоры 7 и 8 по моментам перехода отрицательной полуволны тока нагрузки через ноль и затем с варьируемым в этом поддиапазоне углом α₁>0 тиристор 6.

Ток при этом протекает сначала по контуру: конденсатор 2 - диод 15 - тиристор 7 - тиристор 8 - фаза X нагрузки и далее через фазы нагрузки Y и Z и соответствующие тиристоры входных фаз В и С регулятора. Затем с регулируемым углом α_х>0 (на фиг.3 этот угол взят равным 90°) включается тиристор 6 и ток из цепочки конденсатор 2 - диод 15 переходит в него, в результате чего напряжение на нагрузке фазы X увеличивается скачком до полного напряжения питающей сети в фазе А (на фиг.3 - c 200 вольт до 300 вольт). В момент перехода напряжения нагрузки через ноль тиристоры 6 и 7 выключаются в силу естественной коммутации и ток в нагрузке течет через тиристор 8 против напряжения конденсатора 4 третьей секции цепочки конденсаторов 1 фазы А. По моментам перехода положительной полуволны тока нагрузки фазы А через ноль включаются тиристоры 11 и 12. Отрицательная полуволна тока нагрузки начинает протекать через тиристоры 11 и 12, диод 17, конденсатор 2 цепочки конденсаторов ЦК 1 фазы А. Затем, аналогично, как в положительную полуволну, здесь включается тиристор 10 с варьируемым в этом поддиапазоне углом α₁>0, и ток из диода 17 и конденсатора 2 переходит в силу естественной коммутации в тиристор 10 и фазу А входного напряжения. Мгновенное значение отрицательного переменного напряжения на нагрузке фазы А возрастает до полного напряжения фазы А сети, как показано на фиг.3, где наряду с переменным напряжением показан и ток нагрузки.

Тогда форма напряжения на нагрузке в этой полуволне будет такая же двухуровневая, как в предыдущей полуволне, как показано на фиг.3.

Для устранения некоторого искажения кривой напряжения на нагрузке на интервале протекания тока против напряжения нагрузки можно крайние диоды 16 и 18 обеих групп диодов ПД 13 и ОД 14 заменить на тиристоры.

Во втором поддиапазоне регулирования переменного напряжения в положительную полуволну питающего напряжения сначала включается тиристор 12 с диодом 18 и на нагрузке фазы X действует напряжения секции конденсатора 4 цепочки конденсаторов 1 фазы А, т.е. одна треть от максимального напряжения фазы при условии равенства емкостей конденсаторов цепочки конденсаторов ЦК 1. Ток протекает по контуру конденсаторы 2, 3 - диод 18 - тиристор 12 - фаза X нагрузки. Затем с варьируемым углом α₂>0 включается тиристор 11 и напряжение на нагрузке становится равным сумме напряжений секций 3 и 4 цепочки конденсаторов ЦК 1. Результирующая кривая напряжения на нагрузке показана на фиг.4 для второго поддиапазона регулирования. При отрицательной полуволне питающего напряжения сначала включается тиристор 12, а затем с углом α₂>0 тиристор 11.

В третьем поддиапазоне регулирования переменного напряжения в положительную полуволну питающего напряжения включается с варьируемым углом α₃>0 тиристор 8 и фаза X нагрузки получает питание от одной трети питающего напряжения, действующего на конденсаторе 4. С момента перехода тока нагрузки этой фазы через ноль вступает в работу тиристор 12 с диодом 18 и аналогично формируется отрицательная полуволна тока нагрузки. Результирующая кривая переменного напряжения на нагрузке будет такая же, как в классической схеме регулятора напряжения, питающегося от одной секции цепочки конденсаторов ЦК 1, как показано на фиг.5 (для наглядности для режима независимой работы фаз нагрузки, т.е. при соединении нулевых точек источника и нагрузки).

Теперь рассмотрим случай использования транзисторов в качестве ключей. В первом поддиапазоне при положительной полуволне питающего напряжения, полярность которого соответствует знакам (+) на верхних выводах секций цепочки из n-последовательно включенных конденсаторов, включаются с повышенной частотой поочередно то два транзистора 7 и 8, то три транзистора 6, 7, 8. При отрицательной полуволне питающего напряжения, полярность которого соответствует знакам (-) на верхних выводах секций цепочки из n-последовательно включенных конденсаторов, включаются с повышенной частотой поочередно то два транзистора 11 и 12, то три транзистора 10, 11, 12. Напряжение u_н на нагрузке фазы X имеет вид, показанный на фиг.6, где дополнительно показано напряжение u₂₁ одной секции цепочки из n-последовательно включенных конденсаторов. При активно-индуктивной нагрузке указанные последовательности управления необходимо делать по интервалам, соответствующим положительной и отрицательной полуволнам тока нагрузки, как и в случае тиристорного регулятора.

Во втором поддиапазоне регулирования выходного напряжения при положительной полуволне питающего напряжения включаются с повышенной частотой поочередно то один транзистор 8, то два транзистора 7, 8. При отрицательной полуволне питающего напряжения включаются с повышенной частотой поочередно то один транзистор 12, то два транзистора 11, 12. На фиг.7 приведена диаграмма переменного напряжения нагрузки для второго поддиапазона регулирования (для наглядности для режима независимой работы фаз нагрузки). В третьем диапазоне регулирования выходного напряжения кривая напряжения на нагрузке регулируется методом ШИР или же так же, как и в случае тиристорного регулятора.

Таким образом, создан многозонный регулятор переменного напряжения с лучшим использованием по напряжению ключей регулятора за счет уменьшения на тиристорах обратных напряжений, т.к. напряжения на тиристорах 6-8 и 10-12 фиксируются с помощью диодов 15-16 и 17-18 соответственно на уровне напряжения секции цепочки конденсаторов, которое в общем случае в n раз (здесь в 3 раза) меньше входного переменного напряжения питающей сети.

Многозонный регулятор переменного напряжения относится к электротехнике и необходим для питания регулируемых электродвигателей переменного напряжения. Многозонный регулятор переменного напряжения содержит в каждой фазе цепочку из n-последовательно включенных конденсаторов, две группы управляемых однонаправленных ключей (тиристоров или транзисторов) из n вентилей и две группы диодов из n-1 диодов каждая, причем одна подгруппа n управляемых однонаправленных ключей, соединенных последовательно, подключена катодом крайнего ключа к фазе питающей сети, а анодом другого крайнего ключа подгруппы - к соответствующей фазе нагрузки, вторая группа последовательно включенных управляемых ключей подключена анодом крайнего ключа к той же фазе питающей сети, а катодом - к той же фазе нагрузки, при этом между анодами последовательно включенных управляемых ключей первой подгруппы и отводами цепочки из n-последовательно включенных конденсаторов включены диоды первой дополнительной группы, катодами к отводам, между катодами последовательно включенных управляемых ключей второй подгруппы и отводами цепочки из n-последовательно включенных конденсаторов также включены диоды второй дополнительной группы, анодами к отводам, последовательно включенных конденсаторов. Предлагаемый многозонный регулятор переменного напряжения обеспечивает технический результат - лучшее использование по напряжению ключей регулятора за счет уменьшения на тиристорах обратных напряжений, которые не превышают значений напряжения одной секции последовательно включенных конденсаторов, а не определяются входным напряжением, как в схеме прототипа. 7 ил.

Многозонный регулятор переменного напряжения, содержащий группу управляемых ключей, подключенных одними выводами к фазам входного переменного напряжения, а вторыми выводами подключенных к соответствующим фазам многофазной нагрузки, соединенной в звезду или треугольник, отличающийся тем, что в него введены цепочки из n последовательно соединенных конденсаторов по числу фаз переменного напряжения, а группа управляемых ключей в каждой фазе регулятора разделена на две подгруппы из последовательно соединенных n однонаправленных ключей (тиристоров или транзисторов), а в каждую фазу регулятора введены также две группы диодов из n-1 диодов каждая, причем одна подгруппа n управляемых однонаправленных ключей, соединенных последовательно, подключена в каждой фазе регулятора катодом крайнего ключа к фазам входного переменного напряжения, а анодом другого крайнего ключа подгруппы - к соответствующей фазе нагрузки, вторая группа последовательно включенных управляемых ключей той же фазы регулятора подключена анодом крайнего ключа к той же фазе входного переменного напряжения, а катодом - к той же фазе нагрузки, при этом между анодами последовательно включенных управляемых ключей первой подгруппы и отводами цепочки из n последовательно соединенных конденсаторов включены диоды первой дополнительной группы, катодами к отводам, между катодами последовательно включенных управляемых ключей второй подгруппы и отводами той же цепочки из n последовательно соединенных конденсаторов также включены диоды второй дополнительной группы анодами к отводам цепочки конденсаторов.